殼聚糖基水凝膠的制備及溶脹性能研究

曾 敬, 貝翠翠, 梁 爽, 董 卓, 代 鑫, 婁 陽, 王 彤, 辛 興

(沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034)

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材料科學

殼聚糖基水凝膠的制備及溶脹性能研究

曾 敬, 貝翠翠, 梁 爽, 董 卓, 代 鑫, 婁 陽, 王 彤, 辛 興

(沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034)

殼聚糖(CS)具有良好的生物相容性,易生物降解,無毒,是一種很有發(fā)展前景的醫(yī)藥材料。殼聚糖基水凝膠作為一種新型的可注射給藥載體,藥物的控制釋放具有易控性、靶向性。以殼聚糖(CS)為基材,聚乙烯醇為第2組分,戊二醛為交聯(lián)劑,制備了一系列殼聚糖基水凝膠,研究該水凝膠在水中的溶脹行為、溶脹動力學以及相關影響因素。結果表明,所制備的一系列殼聚糖基水凝膠的溶脹度均隨著溶脹時間的增加而增大,至溶脹4.5 h時,凝膠的溶脹度基本達到最大。溶脹動力學為一級動力學。隨著CS/PVA凝膠質量百分比的增加,該類水凝膠溶脹速率和飽和溶脹度呈現(xiàn)出3個性質明顯不同的區(qū)域。

殼聚糖; 水凝膠; 溶脹行為; 溶脹動力學

水凝膠(hydrogel)是一種能保持一定的形狀,質地柔軟,在水中能吸收大量的水而不溶解的具有三維網狀結構的高分子聚合物?？捎捎H水性的高分子化合物通過離子鍵、共價鍵、氫鍵等交聯(lián)而成,具有良好的成膜性、吸水性、粘結性等特性。研究發(fā)現(xiàn),水凝膠的許多特性與生物基體都十分相似,目前已經成為藥物控制釋放領域研究的熱點之一。

殼聚糖(CS)是甲殼素脫乙酰后的產物,是自然界存在的天然多糖,來源廣泛,價格低廉,且這種天然高分子的生物官能性、血液相容性、安全性、微生物降解性等優(yōu)良性能被各行各業(yè)廣泛關注,在醫(yī)藥、食品、化工、化妝品、水處理、金屬提取及回收、生化和生物醫(yī)學工程等諸多領域的應用研究取得了重大進展。殼聚糖分子中含有大量的氨基,通過化學交聯(lián)法或物理交聯(lián)法,可以制備多種殼聚糖基水凝膠[1-5]。以殼聚糖為基材,通過戊二醛交聯(lián)獲得的網狀結構,如圖1所示。殼聚糖基水凝膠具有pH離子敏感性,在藥物釋放、酶的固載、膜分離等方面都很有應用前景。

圖1 戊二醛交聯(lián)殼聚糖基水凝膠的分子結構式示意圖Fig.1 The structure of chitosan-based hydrogels crosslinked by glutaraldehyde

盡管殼聚糖具有上述諸多優(yōu)點,但由于殼聚糖自身的分子具有較大的剛性,單獨的殼聚糖水凝膠材料溶脹性較差,力學性能欠佳[6]。聚乙烯醇(PVA)是一種線性的具有較好柔性的鏈狀聚合物,是少數(shù)具有良好生物相容性的水溶性高分子之一,具有低毒性、易成膜等特點。將PVA作為殼聚糖基水凝膠的第2組分,恰恰可以彌補殼聚糖機械性能差的缺陷[7-9],增強水凝膠的柔性。水凝膠具有pH離子敏感性,在藥物釋放、酶的固載、膜分離等方面的應用性主要集中體現(xiàn)在其自身在水中的溶脹性能上。本論文以殼聚糖為基材, PVA為第2組分,制備了一系列殼聚糖基二元水凝膠,研究了相關水凝膠的溶脹動力學特性及其影響因素,獲得了一些有趣的結果。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

殼聚糖(脫乙酰度為 91.7% ,成都文科達化學試劑有限公司);聚乙烯醇(分子量約1.8×104,廣州光華化學試劑有限公司);戊二醛(25%,分析純 ,國藥集團化學試劑有限公司) ; 其余試劑均為分析純; 用水為蒸餾水。

電熱恒溫干燥箱(WGD4010,上海陽光實驗儀器有限公司);電動攪拌器(DW-3-60W,鞏義市予華儀器有限責任公司)。

1.2 殼聚糖基水凝膠的制備

準確稱取0.5 g殼聚糖粉末,加入到濃度為1%的50 mL乙酸(HAc)溶液中,在600 r/min機械攪拌2 h后得到聚合物的澄清溶液。加入0.5 g聚乙烯醇,攪拌均勻后,再加入0.2 mL 濃度為5%的戊二醛溶液并繼續(xù)攪拌均勻。將混合溶液置于電熱套中加熱下進行交聯(lián)反應。反應物冷卻后,得到CS/PVA為5∶5的透明膠狀水凝膠。以上述方法按照不同的CS/PVA的質量比制備并合成了11種殼聚糖基水凝膠,其反應物配比列于表1中。

1.3 殼聚糖基水凝膠溶脹度的測定

取上述制備的凝膠0.2 g左右,放入去離子水中浸泡,每隔1.5 h,取出用濾紙吸干其表面水分,稱重。并用下列公式計算樣品飽和溶脹度[10]。

式中:SR為殼聚糖基水凝膠的溶脹度(%);ws為殼聚糖基水凝膠在去離子中充分溶脹后的質量(g);wd為殼聚糖基水凝膠未浸泡、干燥時的質量(g)。

表1 CS/PVA水凝膠各組分配比Tab.1 The component ratio of CS/PVA hydrogels

2 實驗結果與討論

2.1 水凝膠的表面形貌

按上述方法制備了一系列殼聚糖基水凝膠,在水中溶脹后,觀察其表面形貌,如圖2所示。 獲得的水凝膠呈無色透明的膠狀物體,具有一定的彈性。其中CS/PVA為1∶9的水凝膠彈性最大(圖a),而隨著PVA含量的減少,水凝膠的彈性也逐漸變小。當PVA含量減少至30%時,所制備的殼聚糖基水凝膠彈性很小,已表現(xiàn)出較明顯的脆性(如圖2d所示)。

CS/PVA質量比為(a)—1∶9; (b)—3∶7; (c)—5∶5; (d)—7∶3圖2 CS/PVA水凝膠照片F(xiàn)ig.2 The photograph of CS/PVA hydrogels

這表明,殼聚糖基水凝膠的溶脹性以及表面物理性能很大程度地依賴于第2組分聚乙烯醇的加入量,這也是本研究所關注的重點。

2.2 含PVA百分比不同的殼聚糖基水凝膠的溶脹度及其動力學[11]

以獲得的1～5、8～11號樣品為實驗對象,進行24 h的溶脹性實驗,每隔30 min測定一次溶脹度,研究不同PVA含量的水凝膠的溶脹性。初始7.5 h的溶脹度隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 含PVA百分比不同的殼聚糖基水凝膠的溶脹率Fig.3 The swelling ratio of chitosan-based hydrogelswith different PVA percentage

由圖3可知,隨著浸泡時間增加,水凝膠的溶脹度逐漸增加,到4.5 h時溶脹度趨于穩(wěn)定,達到最大。殼聚糖基水凝膠的溶脹度隨著CS/PVA質量比的增大而減小,當CS/PVA質量比為1∶9時殼聚糖基水凝膠的溶脹度最大。

為了更好地了解本研究中所制備的殼聚糖基水凝膠的溶脹動力學,對圖3中的各曲線進行了非線性擬合,發(fā)現(xiàn)不同比例的CS/PVA殼聚糖基水凝膠的溶脹過程都符合指數(shù)關聯(lián)函數(shù),其表觀一級反應數(shù)方程為

式中:SR為殼聚糖基水凝膠的溶脹度(%);k為殼聚糖基水凝膠的溶脹的表觀一級速率常數(shù);t為溶脹時間;A為飽和溶脹度。擬合結果列于表2。

由表2可知,表觀一級速率常數(shù)k隨著CS所占比率變化有很大的波動,將表觀一級速率常數(shù)k隨著CS所占比率作圖,如圖4所示。

表2 殼聚糖基水凝膠的溶脹動力學參數(shù)Tab.2 The swelling kinetic parameters of chitosan-based hydrogels

圖4 各殼聚糖基水凝膠的表觀一級速率常數(shù)Fig.4 The apparent first-order rate constantsof chitosan-based hydrogels

由圖4可知,隨著CS/PVA水凝膠中CS成分比例的增加,CS/PVA水凝膠的溶脹動力學表現(xiàn)出3段上升的曲線。溶脹速率是水分子擴散進入凝膠內的速率,它與凝膠是否有足夠的通道,允許水分子進入;水分子在凝膠內是否容易深度擴散,以及凝膠內的分子結構是否有利于水分子的穩(wěn)定有關。當CS在CS/PVA水凝膠中的比例在10%～20%時,溶脹速率隨著CS比率的增加而增大。這是由于此時凝膠中聚乙烯醇占有較大比例,形成了有較大柔性的富聚乙烯醇的水凝膠,柔性的聚乙烯醇不能提供足夠的通道,不利于水分子的向凝膠內部擴散,因此隨著CS含量增加,通道增加,溶脹速率增大。當CS在CS/PVA水凝膠中的比率在30%～60%時,形成了二者比率相當?shù)乃z。這種水凝膠表面上有足夠的通道,允許水分子擴散進入。但是內部柔性的聚乙烯醇分子不利于水分子在內部的深度擴散導致速率下降。隨著CS比例的增加,CS分子間鏈接增加,水凝膠的剛性增加,形成較大的空隙,有利于水分子向內部的擴散,速率逐漸增加。當CS在CS/PVA水凝膠中的比例在70%～90%時,形成剛性較大的以CS為主的水溶膠,且隨著聚乙烯醇的減少,空隙率增加,水分子向內部擴散速率增加,溶脹速率再次隨著CS比例的增加而增大。

2.3 PVA含量對殼聚糖基水凝膠的溶脹度的影響

將表2中的飽和溶脹度A對CS比率作圖,如圖5a所示,是一條整體上下降的曲線,說明隨著CS比率的增加飽和溶脹度逐漸下降,表明水凝膠中聚乙烯醇的柔性對溶脹度方面起到主導作用,柔性越強,凝膠膨脹的體積越大,容納水的量也越大。

對圖5a曲線進行微分獲得一條微分曲線如圖5b。隨著CS比率的增加,飽和溶脹度的變化率表現(xiàn)為3個明顯的變化區(qū)域,與溶脹速率常數(shù)的曲線相似(圖4)。在第1階段,水凝膠中CS占比很少,與戊二醛的交聯(lián)點也少,交聯(lián)網絡非常疏松,水凝膠的柔性最好,容納和吸收水分子量最多,達到溶脹平衡的溶脹度也最大。隨著CS比率增加,交聯(lián)度增加,柔性迅速減小,溶脹度下降的速度最大。在第2階段,CS在CS/PVA水凝膠中的比例在30%～60%時,CS與PVA的成分比例適當,交聯(lián)密度適中,這樣既利于水分子向水凝膠中擴散,也利于大分子鏈的松弛,溶脹度變化的速率適中,下降相對緩慢。在第3階段,即CS在CS/PVA水凝膠中的比例在70%～90%時,水凝膠中CS占比很多,與戊二醛的交聯(lián)點也顯著增多,交聯(lián)網絡變得非常致密,形成了類似于殼聚糖單一相水溶膠體系。此時少量的聚乙烯醇分子占據部分孔洞,影響了水分子進入凝膠內部,所以隨聚乙烯醇含量減少下降速度增加。此外,CS占比越多,與水的水化作用越大,溶脹速率就會越大。

圖5 含PVA百分比不同的殼聚糖基水凝膠的飽和溶脹度(a)及其微分圖(b)

3 結 論

本文以殼聚糖(CS)為基材,聚乙烯醇為第2組分,戊二醛為交聯(lián)劑,制備了一系列殼聚糖基水凝膠,并對水凝膠的溶脹動力學及溶脹性的影響因素進行了分析。實驗結果表明,所制備的一系列殼聚糖基水凝膠的溶脹度均隨著溶脹時間的增加而增大,至溶脹4.5 h時,水凝膠的溶脹度基本達到最大。當CS/PVA質量比不同時,其飽和溶脹度也不同,隨著CS/PVA質量比的增加,水凝膠的飽和溶脹度逐漸減小;當CS/PVA的質量比為1∶9時,水凝膠的飽和溶脹度最大。不同質量比的CS/PVA水凝膠的溶脹行為都符合一級動力學。隨著CS/PVA凝膠質量百分比的增加,該類水凝膠溶脹速率和飽和溶脹度呈現(xiàn)出3個性質明顯不同的區(qū)域,說明水凝膠的溶脹速率既受水的擴散作用影響,也與CS與水的水化作用有關。

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Preparation and swelling performance of chitosan-based hydrogels

ZENG Jing, BEI Cuicui, LIANG Shuang, DONG Zhuo, DAI Xin, LOU Yang, WANG Tong, XIN Xing

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Chitosan (CS) is a prospect biomedical material owing to its many good characteristics, such as non-toxic, biocompatible, biodegradable etc. With the controllable and targetable properties at the process of drug release, Chitosan-based hydrogel can be used as a new injectable drug carrier. In this paper, a series of chitosan-based hydrogels have been prepared with polyvinyl alcohol (PVA) as the second component and glutaraldehyde as the crosslinking agent. The swelling performances of these hydrogels, like swelling ratio, swelling kinetics and the related influencing factors, have been studied. The results showed that the swelling ratio of these hydrogels increased with the swelling time prolonged, and it reached the highest level when the swelling process has carried for 4.5 h. The swelling behavior fitted the first order kinetics. The swelling rate and the saturated swelling ratio show three different regions with the increase of CS percentage in the hydrogel.

chitosan; hydrogel; swelling ratio; swelling kinetics

2015-10-29。

遼寧省科技廳自然科學基金資助項目(2015020241)。

曾 敬(1974-),女,遼寧沈陽人,沈陽師范大學副教授,博士。

1673-5862(2016)03-0271-05

O63

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.03.004